气体动理论教程.ppt
热学（Heat）,一、研究对象 热运动:大量分子的无规则的运动,它是一种基本运动形式。热运动可以与其他运动形式（机械运动、电磁运动）有 区别又可相互转化。与温度有关的物理性质的变化统称为热现象。热现象是组成物体的粒子热运动的结果。微观上看：热现象是物质中大量分子无规则运动的集体表现。热学是研究与热现象有关的规律的科学。,宏观法与微观法相辅相成。,二、热学的研究方法：,A.宏观法 热力学:最基本的实验规律逻辑推理(运用数学)对系统进行整体描述,热现象的宏观理论。,B.微观法统计力学:物质的微观结构+统计方法 热现象的微观理论。其初级理论称为气体分子运动论(气体动理论)揭示了热现象的微观本质。,第三章 气体动理论(Kinetic Theory of Gases),3.1 热力学系统 状态 理想气体状态方程3.2 理想气体的压强和温度3.3 能均分定理和理想气体内能3.4 麦克斯韦速率分布律3.5 玻尔兹曼分布律3.6 实际气体的状态方程3.7 气体分子平均自由程,热力学系统：含有大量原子、分子或其它微观粒子，体积有限的宏 观物体。热力学研究的对象。,一、热力学系统与外界,3.1 热力学系统 状态 理想气体状态方程,系统分类：,1.孤立系统：,2.封闭系统：,3.开放系统：,外界：热力学系统以外的物体。,无物质、能量的交换。,有能量交换，无物质交换。,既有物质交换又有能量交换。,3.1.1 热力学系统和状态,二、微观状态与宏观状态,2.宏观状态：对系统在整体上表现出来的某些性质进行 描述而确定的状态。,宏观量：表征系统状态和属性的物理量。宏观尺度上的物理量。,1.微观状态：对组成系统的大量微观粒子的运动状态 进行描述而确定的状态。,微观量：表征系统微观粒子属性的物理量、微观尺度上的物理量。,微观量与宏观量有一定的内在联系。,分子的质量、直径、位置、速度、动量、动能等。,广延量:质量 M、体积 V、能量 E 等；强度量：压强 P、温度 T 等。,三、平衡态,平衡态：孤立系统系统内部没有宏观的粒子和能量流 动，其宏观性质不随时间改变。是一种动 态平衡，并伴随涨落。,非平衡态：当处在平衡态的系统受到外界影响时，内部会出现宏观的粒子流动，此时系统 处在非平衡态。,一个孤立的热力学系统，不管它原来处在什么 状态，总会自发地趋向平衡态，并保持这个状 态不变。,动态平衡 处在平衡态的大量分子仍在作热运动，而且因为碰撞，每个分子的速度经常在变，但是系统的宏观量不随时间 改变。这称为动态平衡。,箱子假想分成两相同体积的部分，达到平衡时，两侧粒子有的穿越界线，但两侧粒子数相同。,粒子数是宏观量,涨落 处在平衡态的系统的宏观量，如压强 P，不随时间改变，但不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的情况完全一样，这称为涨落现象，分子数越多，涨落就越小。,上例中两侧粒子数不可能严格相同，这里的偏差也就是涨落。粒子数越少，涨落越明显。,四、平衡态的状态参量,1.状态参量：描述系统宏观性质（热学、力学、化 学、电磁等）的宏观量。,2.气体的状态参量：,体积 V,压强 p,SI 单位：Pa(N/m2),1 atm=1.01325105 Pa=76 cmHg,温度T,反映物质分子运动的剧烈程度。,SI 单位：m3,1 l=10-3 m3,一、热平衡,A、B两体系互不影响，各自达到平衡态。,两体系的平衡态有联系，达到共同的热平衡状态(热平衡)。,二、热力学第零定律,设 A 和 C、B 和 C 分别热平衡，则 A 和 B 一定热平衡。,互为热平衡的热力学体系，必定具有一个共同的宏观物 理性质和相同的宏观参量 温度。,温度测量的理论和实验根据。,温度是系统状态的一个态函数 状态方程。,3.1.2 温度 热力学第零定律,三、温 度,决定一个系统是否与其它系统达到热平衡的宏观性质。,处于热平衡的多个系统具有相同的温度,具有相同温度的几个系统放在一起必然处于热平衡。,温度测量,A 和 B 热平衡，TA=TB,酒精或水银,热胀冷缩特性，标准状态下，冰水混合，B 上留一刻痕，水沸腾，又一刻痕，之间百等分，就是摄氏温标（Co）。,四、温 标,温度的数值表示法称为温标。,1.理想气体温标(T):,测温物质：理想气体,玻意耳定律：,（温度不变）,水的三相点温度,参考点：,单位：开尔文(K),2.热力学温标：,与任何物质特性无关，在理想气体温标范围内，与理想气体温标等价。,3.摄氏温标(t),单位：摄氏度(),五、热力学第三定律,热力学零度是不能达到的。,4.华氏温标(tF),3.1.3 理想气体状态方程,理想气体在任一平衡态下各宏观量之间的关系称为理想气体状态方程。,R为普适气体常数,M表示气体摩尔质量有些文献中用表示,若写成,理想气体状态方程,阿伏伽德罗常量,n：气体分子数密度,例:一容器内装有气体，温度为 27 oC，问：(1)压强为1.013105 Pa时，在 1 m3 中有多少个分子；(2)在高真空时，压强为 1.3310-5 Pa，在 1 m3 中有多 少个分子?,按公式 p=nkT 可知,解：,气体动理论,例.某理想气体在温度为27oC和压强为1.010-2 atm情况下,密度为11.3 g/m3。求该气体的摩尔质量M。,解:利用理想气体状态方程:,代入数值,注意单位,得,
